Michaël De Becker
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Astrophysique et astrochimie PowerPoint PPT Presentation


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Michaël De Becker Masters en Sciences Chimiques et Sciences Géologiques 2013-2014 Chapitre 2: Processus chimiques (suite). Astrophysique et astrochimie. Plan du chapitre 2 (suite). L’importance des processus à la surface des grains de poussière Vue schématique d’un processus en surface

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Astrophysique et astrochimie

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Presentation Transcript


Astrophysique et astrochimie

Michaël De Becker

Masters en Sciences Chimiques

et Sciences Géologiques

2013-2014

Chapitre 2: Processus chimiques (suite)

Astrophysique et astrochimie


Plan du chapitre 2 suite

Plan du chapitre 2 (suite)

  • L’importance des processus à la surface des grains de poussière

  • Vue schématique d’un processus en surface

    - Accrétion

    - Migration en surface

    - Réaction

    - Evaporation

  • La formation de l’hydrogène moléculaire

  • Réseaux chimiques à la surface des grains de poussière


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

  • Phase gazeuse: problème de la densité faible

    ISM diffus: 102 cm-3

    nuage moléculaire: 104 - 106 cm-3

    CSM dense: 1011 - 1012 cm-3

    (… atmosphère terrestre au niveau de la mer: 2.5 1019 cm-3)

     cinétique insatisfaisante


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re1

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

  • Phase gazeuse: problème de la densité faible

    ISM diffus: 102 cm-3

    nuage moléculaire: 104 - 106 cm-3

    CSM dense: 1011 - 1012 cm-3

    (… atmosphère terrestre au niveau de la mer: 2.5 1019 cm-3)

     cinétique insatisfaisante

  • Filière parallèle pour produire des molécules?

    Une catalyse est-elle envisageable?


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re2

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

  • Phase gazeuse: problème de la densité faible

    ISM diffus: 102 cm-3

    nuage moléculaire: 104 - 106 cm-3

    CSM dense: 1011 - 1012 cm-3

    (… atmosphère terrestre au niveau de la mer: 2.5 1019 cm-3)

     cinétique insatisfaisante

  • Filière parallèle pour produire des molécules?

    Une catalyse est-elle envisageable?

     piste à envisager: catalyse hétérogène

     nécessite la présence de corps solides en abondance

    suffisante


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re3

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

  • Phase gazeuse: problème de la densité faible

    ISM diffus: 102 cm-3

    nuage moléculaire: 104 - 106 cm-3

    CSM dense: 1011 - 1012 cm-3

    (… atmosphère terrestre au niveau de la mer: 2.5 1019 cm-3)

     cinétique insatisfaisante

  • Filière parallèle pour produire des molécules?

    Une catalyse est-elle envisageable?

     piste à envisager: catalyse hétérogène

     nécessite la présence de corps solides en abondance

    suffisante : poussières!!


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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière


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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière


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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

  • Poussières:

    Taille: ~ 0,001 à ~ 1 m

    Composition:

    - très difficile à déterminer, pas de signature spécifique, uniquement des signatures génériques associées à certaines classes de composés

    - essentiel de la masse : éléments de poids atomique supérieur ou égal à 12 (C, O, N, Si, Mg, Fe)

    - graphite, silicates, “glaces sales”…

    - couches externes éventuellement riches en molécules diverses

    Structure:

    Complexe, variable (lieu et temps…)


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re7

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface: vue schématique (2 approches)

  • Langmuir-Hinshelwood

    • Accretion

    • Migration

    • Réaction

    • Ejection

  • Eley-Rideal

    • Accretion - Réaction

    • Ejection


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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface: vue schématique (2 approches)

  • Langmuir-Hinshelwood

    • Accretion

    • Migration

    • Réaction

    • Ejection

  • Eley-Rideal

    • Accretion - Réaction

    • Ejection


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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface:

  • Accretion:

Vitesse moyenne des particules

Facteur d’efficacité

Densité en nombre des poussières

Section efficace des grains

Physisorption: interactions de type van der Waals, ~ 0.1 eV

Chimisorption: interactions plus fortes, formation d’une liaison chimique, ~ quelques eV


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re10

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface:

  • Migration:

    - Surface du grain : multitude de sites potentiels de physisorption et de chimisorption.

    - La migration consiste en un changement de site d’adsorption, nécessitant de franchir des barrières de potentiel plus ou moins hautes.

    - La migration est d’autant plus probable que l’interaction est faible et que la température caractéristique du grain est grande

Barrière de migration

Temps caractéristique de migration

Température caractéristique du grain


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re11

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface:

  • Migration:

    - L’efficacité des processus en surface repose essentiellement sur la mobilité des partenaires réactionnels.

    - Généralement, les espèces chimiques les plus lourdes sont moins mobiles.

    - Franchir les barrières de

    potentiel est envisgeable

    selon deux approches:

    “tunnelling” ou thermique


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re12

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface:

  • Migration: C  C


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re13

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface:

  • Migration: P  P


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re14

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface:

  • Migration: C ↔ P


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re15

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface:

  • Réaction:

    Migration vers un site occupé  interaction entre espèces chimiques


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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface:

  • Réaction:

    Migration vers un site occupé  interaction entre espèces chimiques

    - sans Ea


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re17

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface:

  • Réaction:

    Migration vers un site occupé  interaction entre espèces chimiques

    - sans Ea

    - avec Ea :

    Réactions fortement inhibées

    en phase gazeuse.

    Le temps de résidence accru sur

    la surface rend ces processus plus

    efficaces.


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re18

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface:

  • Réaction: avec barrière d’activation

p : probabilité de réaction sur un site donné

po : probabilité de pénétration de la barrière d’activation

pm : probabilité de migration sur un site adjacent

Nombre de fois que le site est visité:

Probabilité de réaction à la kème visite:

Probabilité de réaction:


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re19

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface:

  • Réaction: avec barrière d’activation

p : probabilité de réaction sur un site donné

po : probabilité de pénétration de la barrière d’activation

pm : probabilité de migration sur un site adjacent

Nombre de fois que le site est visité:

Probabilité de réaction à la kème visite:

Probabilité de réaction:

Réaction favorisée par un long temps de résidence, une couverture superficielle de sites réactionnels élevée, et une probabilité de pénétration élevée.


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re20

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Processus en surface:

  • Evaporation:

    Le temps de résidence peut être exprimé de la façon suivante:

Energie de liaison avec le grain de poussière

Facteur de fréquence vibvrationnelle ( f(m) )

Température caractéristique du grain

Facteurs favorisant un long temps de résidence:

  • masse élevée

  • température faible

  • énergie de liaison élevée


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re21

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Formation de H2:

  • 2 types de site: P et C

  • flux de H en provenance de la phase gazeuse vers P uniquement

  • réaction immédiate si un H migre vers un site occupé

  • monocouche


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re22

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Formation de H2:

  • 2 types de site: P et C

  • flux de H en provenance de la phase gazeuse vers P uniquement

  • réaction immédiate si un H migre vers un site occupé

  • monocouche


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re23

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Formation de H2:

Taux de formation avec rétention en surface:

Taux de désorption total:

 : fraction d’hydrogène moléculaire qui reste adsorbé immédiatement après formation


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re24

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Formation de H2:

Cas limite: basse température

- migration C  P inhibée  accumulation dans C

- processus le plus efficace pour former H2 : migration d’un H(P) mobile vers un H(C)

- hyp: état stationnaire  la couverture superficielle ne varie pas


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re25

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Formation de H2:

Cas limite: basse température

- migration C  P inhibée  accumulation dans C

- processus le plus efficace pour former H2 : migration d’un H(P) mobile vers un H(C)

- hyp: état stationnaire  la couverture superficielle ne varie pas


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re26

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Formation de H2: Présence simultanée de H et D


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re27

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Formation de H2: Présence simultanée de H et D

- Sites de physisorption


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re28

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Formation de H2: Présence simultanée de H et D

- Sites de physisorption


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re29

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Formation de H2: Présence simultanée de H et D

- Sites de chimisorption


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re30

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Formation de H2: Présence simultanée de H et D

- Sites de chimisorption


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re31

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Formation de H2: Présence simultanée de H et D

- Produits résultant de ces processus:


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re32

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Formation de H2: Présence simultanée de H et D

- Produits résultant de ces processus:

Taux de formation de l’hydrogène moléculaire:


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Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Formation de H2: hypothèses affectant les résultats

- seules H, D et les molécules formées de ces espèces sont considérées

  • en cas de taux d’accrétion élevé, l’hypothèse de la monocouche n’est plus valable

  • la photodissociation a été négligée

  • seul le mécanisme de Langmuir-Hinshelwood a été considéré; celui d’Eley-Rideal pourrait devenir significatif en cas de couverture surfacique importante

  • quatre types de coefficients de diffusion ont été considérés; une représentation plus réaliste envisagerait une distribution de coefficients différents, tenant compte des propriétés variables des sites d’adsorption


Chapitre 2 chimie la surface des grains de poussi re34

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

Exemples de réseaux chimiques en surface:

Chimie du CO…


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